理化学研究所など、電子スピンの渦「スキルミオン」のサイズと渦の向きを自在に制御できることを発見

電子スピンの渦「スキルミオン」のサイズと渦の向きを自在に制御
－スキルミオンを記録ビットとする省電力メモリ素子の実現に前進－

＜ポイント＞
　・組成により相対論的相互作用を変化させスキルミオンのサイズと渦の向きを制御
　・スキルミオンと組成の関係を局所領域のナノスケール観察と分析で明らかに
　・スキルミオンを素子に応用する際の物質設計指針を提供

＜要旨＞
　理化学研究所（理研、野依良治理事長）、東京大学（濱田純一総長）、物質・材料研究機構（潮田資勝理事長）は、マンガン（Mn）、鉄（Fe）、ゲルマニウム（Ge）の化合物「Mn１－xFexGe」（◇）で、電子スピンが渦状に並んだ磁気構造体「スキルミオン［１］」のサイズと渦の向きがマンガンと鉄の濃度比で制御できることを見いだしました。これはスキルミオンを記録ビットとして用いる省電力磁気メモリ素子の実現に重要な指針を与えるものです。本成果は、理研創発物性科学研究センター強相関物性研究グループの十倉好紀センター長兼グループリーダー（東京大学大学院工学系研究科教授）と柴田基洋研修生（東京大学大学院工学系研究科博士課程大学院生）、物質・材料研究機構先端的共通技術部門（藤田大介部門長）表界面構造・物性ユニットの木本浩司ユニット長らの共同研究グループによるものです。

　　◇「Mn１－xFexGe」の正式表記は添付の関連資料を参照

　物質中の電子は、磁石の源であるスピンの性質を持ちます。スピンの集団である磁気構造体を記録ビットとするハードディスクなどの現行の磁気メモリ素子は、電源供給なしに情報を保持できますが、処理速度が遅いという問題があるため、電流で磁気構造体を動かす研究が盛んに行われています。スキルミオンは、他の磁気構造体と比べ１０万分の１程度の微小電流で動くため、高速で省電力な磁気メモリ素子への応用が期待されています。しかし、素子に集積化し利用するには、そのサイズや渦の向きを自在に制御する手法が必要です。

　共同研究グループは、マンガンと鉄の濃度比をさまざまに変えたMn１－xFexGeでスキルミオンを観察しました。その結果、スキルミオンのサイズ及びらせん磁気構造［２］の周期が５～２００nm（ナノメートル）程度まで連続的に変化すること、渦の向きがマンガンと鉄の濃度比が約１対４となったときを境に反転することを明らかにしました。これは、「スピン軌道相互作用［３］」と呼ばれる相対論的な効果がスキルミオンのサイズと渦の向きを決める要素であることを示しています。

　本研究は、最先端研究開発支援プログラム（FIRST）課題名「強相関量子科学」（中心研究者：十倉好紀）の事業の一環として行われ、成果は科学雑誌『Nature　Nanotechnology』オンライン版（９月８日付け：日本時間９月９日）に掲載されます。

＜背景＞
　電子は、電気の源である「電荷」と磁石の源である「スピン」という２つの性質を持っています。そのスピンの集まり（磁気構造体）を記録ビットとして利用するハードディスクなどの磁気メモリ素子は、電源供給がなくても情報を失わないため低消費電力で動作するという利点があります。しかし、ハードディスクは回転する円板に情報の読み書きを行うため、処理速度が遅いという問題があります。そのため最近では、電流で磁気構造体を動かし情報を読み書きすることで、高速に動作する磁気メモリ素子を実現しようとする研究が盛んに行われています。

　近年発見されたスキルミオン（図１）と呼ばれる電子スピンが渦状に並んだ磁気構造体は、強磁性体における磁壁［４］に比べ１０万分の１程度の微小な電流で磁気構造体を動かせるなど、工学的に優れた特性を持つため、高速で省電力な次世代の磁気メモリ素子の記録ビットとして有望視されるようになってきました。将来的には個々のスキルミオンを記録ビットとして制御する素子などへ応用することが考えられますが、それを実現するにはスキルミオンのサイズや渦の向きを自在に制御して素子内で集積化する手法の開発が必要です。

　スキルミオンが観測されている化合物に、MnGeとFeGeがあります。MnGeとFeGeでは、現れるスキルミオンのサイズがそれぞれ３nm、７０nmと異なります。そこで、理研創発物性科学研究センター十倉好紀センター長らの共同研究グループは、これらを混ぜ合わせることでさまざまなサイズのスキルミオンが現れるのではないか、と仮説を立てその検証に挑みました。

＜研究手法と成果＞
　理研創発物性科学研究センター十倉好紀センター長らの共同研究グループは、マンガンと鉄の濃度比（組成x）をさまざまに変えた化合物Mn１－xFexGeを合成し、組成xとスキルミオンのサイズの関係を調べました。

　スキルミオンはローレンツ電子顕微鏡法［５］と呼ばれる手法を用いると、渦の向きが左巻きのスキルミオンは照射した電子線が集光し明るい斑点として、逆に右巻きのスキルミオンは電子線が発散し暗い斑点として観察できます（図２）。この斑点の大きさと明暗から、スキルミオンのサイズと渦の向きを知ることができます。

　本研究でローレンツ電子顕微鏡法を用いてMn１－xFexGeの内部で組成xが０．６から０．７まで変化する薄片を観察した結果が図３aです。暗い斑点状のスキルミオンが全体に分布していますが、そのサイズは左下から右上に向けて次第に小さくなっている様子が観察できます。同じ領域についてエネルギー分散型X線分光法［６］で調べた組成xの分布が図３bです。スキルミオンのサイズが大きい左下のほうが小さい右上に比べて、組成xが大きくなる傾向が見て取れます。実際に図３aからスキルミオンのサイズを分析し、図３bの組成xとの関係を調べた結果が図３cです。仮説通り組成xによってスキルミオンのサイズが変化していることが示せました。

　さらに、多様な組成の試料について同様の観察・分析を行った結果、観察されるスキルミオンに対応する斑点の明暗が反転することなどから、組成x＝約０．８（濃度比が約１：４）を境にスキルミオンの渦の向きが反転することが明らかになりました（図４）。スキルミオンのサイズは、らせん磁気構造の周期の２／√３倍です。そのため、この周期はスキルミオンのサイズの指標として利用できます。実際にスキルミオンのサイズに加え、らせん磁気構造の周期と組成の関係を分析した結果、サイズと周期は５～２００nm程度まで、途中でスキルミオンの渦の向きの反転を伴って、連続的に制御できることが分かりました（図４）。

　これらの実験結果は、組成xの変化によって電子の相対論的効果の１つであるスピン軌道相互作用の強さが変化していることを示しているため、本研究はスピン軌道相互作用の強さがスキルミオンのサイズと渦の向きを決める要素であることを実験的に示すことにも成功しました。これは物質中の電子状態の変化を通してスキルミオンの構造を自在に制御できる可能性を示唆しています。

＜今後の期待＞
　本研究により、スキルミオンの基本的なパラメータであるサイズと渦の向きを系統的に制御する方法が明らかになりました。本成果は、スキルミオンを記録ビットとする次世代の省電力磁気メモリ素子の設計・開発に重要な指針を与えるものと期待できます。

＜原論文情報＞
　・Kiyou　Shibata，Xiuzhen　Yu，Toru　Hara，Daisuke　Morikawa，Naoya　Kanazawa，Koji　Kimoto，Shintaro　Ishiwata，Yoshio　Matsui，and　Yoshinori　Tokura．
"Towards　control　of　the　size　and　helicity　of　skyrmions　in　helimagnetic　alloys　by　spin－orbit　coupling"，Nature　Nanotechnology，２０１３，doi：１０．１０３８／NNANO．２０１３．１７４

＜発表者＞
　独立行政法人理化学研究所
　創発物性科学研究センター　http://www.riken.jp/research/labs/cems/
　強相関物理部門　http://www.riken.jp/research/labs/cems/str_correl_phys/
　強相関物性研究グループ　http://www.riken.jp/research/labs/cems/str_correl_phys/str_correl_phys/
　研修生　柴田　基洋（しばた　きよう）
　グループディレクター　十倉　好紀（とくら　よしのり）

リリースコンテナ第3倉庫

[PR]

理化学研究所など、電子スピンの渦「スキルミオン」のサイズと渦の向きを自在に制御できることを発見

Comment0 Comment

Comment Form